摘要:綜述了微波殺菌研究進展及其在食品工業(yè)中的應用現(xiàn)狀.微波加熱對微生物和酶的熱力效應,目前已深入到對殺菌對象不同種類微生物的致死和酶的鈍化作用機理研究,而非熱力效應還難以量化.微波殺菌還必須對內容物以及包裝材料進行研究.微波殺菌技術在食品工業(yè)中的應用受到技術、經濟和商業(yè)因素的制約,殺菌過程缺乏有效的在線溫度測定和控制的手段,目前還難以建立一套可靠的程序和依據來評估微波殺菌的效果和安全性.

 微波技術在食品工業(yè)領域的應用可追溯到二十世紀四十年代末,美國雷聲公司的Percy Spencer博士在雷達試驗中偶然發(fā)現(xiàn)袋里糖果因泄漏的微波作用而發(fā)熱融化,提出把當時主要用語軍事上的微波技術應用于食品物料的加熱.根據其可提供快速加熱的特性,微波在食品工業(yè)中主要應用于加熱、干燥、解凍回溫、殺菌、焙烤、膨化、成分萃取等領域.與傳統(tǒng)的加熱方法相比,微波具有加熱所需時間短的優(yōu)點,可減少在加熱過程中食品營養(yǎng)成分、風味物質的損失和質地的劣變.對于食品加工,在保證食品安全（貨架壽命和品質）的前提下如何大限度保留食品的營養(yǎng)成分、風味物質和質地正是其主要研究目標. 本文擬對微波殺菌研究進展進行綜述,探討目前主要存在的問題,并對其在食品工業(yè)中應用的現(xiàn)狀和存在的問題進行分析,為進一步應用提供參考.   1 、微波加熱對殺菌對象的效應    傳統(tǒng)的熱力殺菌工藝利用高溫長時間處理殺滅食品中的有害微生物和鈍化酶的活性,同時對食品中的營養(yǎng)成分、風味物質和質地產生不同程度的破壞.按照商業(yè)無菌的要求,殺菌溫度要達到85~100℃（巴氏殺菌,對象為酸性罐頭食品、果汁等）或116~129℃（高溫殺菌,對象為低酸性罐頭食品）并保持一定的時間.由于傳統(tǒng)加熱過程的傳熱過程的傳熱方式是對流和傳導,傳熱速度慢,并存在熱力滯后現(xiàn)象,造成食品中部分區(qū)域產生過熱現(xiàn)象.雖然高溫瞬時殺菌技術可以減輕熱對食品的不利影響,但目前只適合對液態(tài)食品和粉體食品的殺菌.食品生產中,要使加工的固態(tài)食品物料達到高溫需要一定時間的升溫過程,導致食品品質損失.而微波加熱的速度是傳統(tǒng)加熱方式的3~5倍,因此可以在保證殺菌效果的同時有效降低產品的質量損耗.尤其在固體和半固體食品中應用微波殺菌的效果可與高溫瞬時殺菌技術相媲美. 微波對微生物的影響除熱力效應外,還存在非熱力效應作用.非熱力效應是指在溫度沒有明顯變化的情況下,細胞所發(fā)生的生理、生化和功能上的變化,又稱生物效應.微波加熱過程是交變電磁場對物料中水、蛋白質、核酸等性分子發(fā)生作用,使性分子產生高速取向運動,相互摩擦,導致內部溫度急劇升高,使微生物細胞內的蛋白質、核酸等分子結構改性或失活,對微生物產生破壞作用.在升溫的同時,微波會使細胞膜破裂和改變脂質體的滲透性,對微生物細胞賴以與外界交換能量和信息的保持其正常生態(tài)活動的離子通道產生影響,使微生物細胞出現(xiàn)調節(jié)功能嚴重障礙,達到滅菌的目的.此外,微波具有選擇加熱的特性,對微生物的作用的作用要大于對微生物生長介質的作用.曾經有人對滅菌過程中是否存在非熱力效應提出疑問,但已有不少實驗結果表明,微波殺菌中確實有非熱力效應存在.但由于無法對非熱力效應對殺菌效果的增強作用進行量化,為保證加工食品的微生物學安全性,在工藝設計過程中通常只考慮熱力效應.   1.1  對微生物對象菌的致死作用    微波對食品中的致病微生物殺滅作用的研究主要集中在兩個方面:一是利用微波殺菌技術處理不同的食品材料,對其殺菌效果和傳統(tǒng)的熱力殺菌進行對比.所見報道采用的食品包括肉類、乳制品、酒類、果汁類、水產品、方便食品、糕點類、調味品等等.這些研究的結論表明,微波殺菌具有與傳統(tǒng)熱力殺菌同樣的效果;另一方面則集中于微波對莫一特定對象菌的作用機理進行研究.已見報道的研究對象菌包括蠟狀芽孢桿菌（Bacillus cereus）、空腸彎曲桿菌（Campylobacter jejuni）、氧氣莢膜梭菌（Clostridium perfringens）、大腸桿菌（Escherichia Coli）、腸球菌（Enterococcus）、單核細胞增生李斯特氏菌（Listeria monocytogenes）、金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、沙門氏菌（Salmonella）、糞鏈球菌（Sterptococcus faecalis）、小腸結腸炎菌（Yersima enterocolitica）等.Im-Sun Woo等利用微波處理大腸桿菌和枯草芽孢桿菌,發(fā)現(xiàn)隨著升溫過程細胞釋放DNA和蛋白質,活菌數隨著DNA和蛋白質釋放數量的增加而減少,但是細胞的密度無明顯變化,原因是微波處理的細菌的細胞并無出現(xiàn)滲漏顯現(xiàn),掃描電鏡觀察的結果顯示大部分大腸桿菌的細胞壁受到了嚴重的破壞,而枯草桿菌的細胞形態(tài)則無明顯變化.傅大放生物固體的微波殺菌及機理的研究指出,微波通過抑制或破壞細胞內乳酸脫氫酶、輔酶Ⅱ與細胞色素氧化酶等與生物氧化、呼吸代謝及能量產生有關的酶的活性,導致細菌死亡. 微波殺菌還可以有效殺滅芽孢.Welt等人使用專門設計的微波裝置處理生芽孢梭狀芽孢桿菌（Clostridium sporogenes）芽孢,認為并不存在熱力效應.但是近F.Celandroni等使用專門的微波波導設備,對微波處理和傳統(tǒng)熱力方式作用于枯草芽孢桿菌（Bacillus Subtilis）芽孢的效果進行比較,認為微波殺菌可以達到與傳統(tǒng)熱力殺菌相同的效果,但是不同處理對芽孢的結構有明顯不同的影響:傳統(tǒng)熱力殺菌使芽孢的皮層機構松弛,其寬度是為經處理的芽孢皮層的十倍;微波處理的芽孢結構中皮層無明顯變化.此外,熱力殺菌處理后的芽孢會釋放出大量的砒啶二氧酸（dipicolinic acid,DPA）,而微波處理后的芽孢并沒有檢測到相應的DPA釋放現(xiàn)象.其原因可能是與微波會有利于DPA與芽孢中的其他成分,如鈣離子等結合形成穩(wěn)定的復合物.由于芽孢的耐熱機制主要包括三個方面:酸溶性芽孢蛋白、皮層和DPA-Ca之間的狀態(tài).而微波處理后的芽孢的皮層結構和DPA釋放與傳統(tǒng)加熱處理后有所不同,因此該項研究的結果對于探討微波殺菌的機理有十分重要的意義. 目前很多微波研究采用家用微波爐作為微波發(fā)生器,所產生的電磁場分布并不均勻,并且難以對樣本進行準確的在線溫度測量,為研究的深入帶來一定的困難,也使實驗中所獲得的數據重現(xiàn)性無法得到保證,限制了對機理研究的深入進行.

   1.2  對酶活性的鈍化    食品工業(yè)中殺菌處理了殺滅和抑制微生物生長以外,還必須起到鈍化酶活性的作用（這對巴氏殺菌尤為重要）.由于酶蛋白分子屬于性分子,因此微波殺菌過程中的交變電場作用下進行高速的取向運動,產生摩擦熱使蛋白質變質,從而使酶失活.M.Porcelli等人選用兩種具有熱穩(wěn)定性的水解酶和磷酸化酶研究微波對蛋白質的非熱效應,結果表明微波能引起蛋白質產生與溫度無關的結構變化,證明了非熱效應的存在.S.Tajchakavit等人比較了柑橘果汁生產過程中采用傳統(tǒng)熱力殺菌和微波殺菌對果汁中的果膠甲基酯酶的鈍化效果,指出微波殺菌由于具有非熱力因素的存在,對比傳統(tǒng)殺菌具有更明顯的對酶的抑制作用.日本東洋大學對使用微波應用于速凍蔬菜的鈍化酶活性處理,所需要的溫度比通常的加熱法要低.可見,在微波殺菌處理抑制酶活性的過程中存在著非熱力因素. 微波加熱升溫過程具有獨特的機理,其溫度分布是否均勻受到眾多因素的影響,而溫度分布的均勻性對鈍化酶活性是否徹底有很大影響.M.H.Lau等人利用915MHz的微波對蘆筍進行巴氏殺菌處理,結果顯示 1kw的微波處理使過氧化物酶完全失活,而2kw的微波處理只能使70%的過氧化物酶失活,原因是2kw的微波處理樣品的溫度分布的均勻性較1kw微波處理差.  

  2、   微波殺菌對物料品質的影響    微波殺菌技術的研究主要是寄希望于微波殺菌在達到與傳統(tǒng)熱力殺菌相同的殺菌和鈍化酶活性效果的同時,縮短加熱升溫的時間,減少熱損害而保持食品原有的質地、風味和營養(yǎng)成分.根據已有報道,未見微波殺菌處理對食品的品質造成嚴重的負面影響.多項研究表明,微波殺菌對保持蛋白質、淀粉、維生素、氨基酸、微量元素與傳統(tǒng)熱力殺菌相近或更佳. 微波加熱可以更好的保持原料中的色素成分.Ancos等使用微波加熱有效的抑制番木瓜、草莓和獼猴桃的過氧化物酶和多酚氧化酶,并且主要的色素物質,如草莓中的花青素和番木瓜中的胡蘿卜素等在數量和結構上僅有微小的變化,對原由的顏色并無大的影響,而對獼猴桃中葉綠素僅有少量降解,而果漿僅有輕微的顏色變化.對于具有細胞組織結構的植物性原料,微波加熱對其質地的影響的研究還不多見.有報道馬鈴薯在微波加熱下更快的使質地變軟,所需的時間是是常規(guī)沸水加熱的三分之一,或獲得更加粉狀的質地,意味著微波加熱比常規(guī)加熱可能產生更完全的細胞破裂和分離.從微波萃取技術研究物料的細胞結構變化時也證實了有細胞破裂的現(xiàn)象.Marconi等使用微波加熱贏嘴豆和刀豆,加熱時間與傳統(tǒng)加熱方式相比,分別從110min和55min縮短到10min和9min,減少了固形物的損失,更好地保持了細胞的原有疏松結構和胞外物質的原有形態(tài).利用微波鈍化食用菌中多酚氧化酶活性,會破壞真菌的質地,因而需要設計專用的微波設備.   

 3   微波殺菌對包裝材料作用的影響    對袋包裝食品進行微波加熱時,其包裝除符合常規(guī)加熱所用容器的要求外,關鍵是包裝材料透過微波同時不能因微波作用分解產生有害物質,這是微波食品的包裝材料微波加熱的安全性問題.不適合的包裝材料在微波加熱下產生有害物質的問題已受到關注.常用的金屬罐一般不適合微波殺菌時作為包裝容器使用,但在包裝材料中加入金屬成分（鋁箔和微波感受材料）的包裝設計,可以改變微波能量的分布,使包裝內食品達到均勻的溫度分布.常用的玻璃對微波的吸收率僅在3%以下,并且具有剛性結構,有良好的隔熱性能,而更重要的是微波加熱不會出現(xiàn)包裝材料分解的問題,是目前微波殺菌適宜采用的容器之一.此外,在微波領域使用的主要包裝材料是聚酯材料,聚酯使用廣泛的形式是作為冷凍和冷藏套餐類以及主菜類食品包裝的封口膜.結晶聚酯（CPET）是聚酯的晶體形式,可以承受高達230℃的溫度,是目前生產具有雙重烹調性能餐具的主要材料.聚丙烯（PP）容器也是目前常用的微波食品包裝容器,可耐110～130℃的高溫.其他不耐高溫的塑料不宜用作微波包裝,否則存在安全性問題.   

4 、  微波殺菌過程的溫度   

 傳統(tǒng)的熱力殺菌工藝中,根據冷點溫度作為判斷殺菌程度的依據.由于微波加熱的獨特機理,對象食品的溫度分布和冷點的位置會隨著加熱的食品材料和殺菌容器的不同而有所差異.而缺乏快速有效的溫度探測的控制系統(tǒng)以保證微生物學意義上的安全性,正是微波殺菌在食品（罐頭）工業(yè)中廣泛應用必須解決的一道難題.   

4.1 微波殺菌過程的溫度測定   

 目前有多種方法可以實現(xiàn)對微波殺菌過程中的溫度進行設定,其中包括熱電偶測定、紅外線探測、光纖感應探頭測定、磁共振成像技術、液態(tài)晶體、時間-溫度指示物等.熱電偶在非傳導性的介質中加熱會改變電磁場,導致金屬探頭產生大的電流而產生錯誤的溫度信號及造成設備損壞;紅外線探測裝置只能測定表面溫度;光纖探頭不受電磁場的影響,是目前微波加熱溫度在線測定主要可靠手段,但是也只能也只能測定有限的不同部位（點）的溫度,而且設備昂貴和容易受到損壞;在醫(yī)學上得到廣泛應用的磁共振成像技術能夠對三維空間的溫度分布進行準確快速的測量,但對組成成分復雜的食品原料在加工過程中的溫度變化進行測定仍存在一定的問題;利用液態(tài)晶體可以根據晶體在加熱過程中顏色的變化,間接對溫度的變化進行定性和定量的測定,但其對測定對象物料有嚴格的要求.時間-溫度指示物溫度技術能夠反映在熱處理過程中溫度隨時間變化的過程,其原理是利用化學標記物、微生物或者酶作為時間-溫度標記物,結合現(xiàn)代分析方法,建立標記物含量和微波加熱溫度的關系模型,進而獲得關于微波加熱過程中溫度變化的信息.使時間-溫度指示物測溫技術可以對密封在包裝容器內的食品進行微波加熱在線溫度測定,但是由于其對分析手段要求較高,目前僅適合于研究用途.   

4.2 影響微波殺菌溫度的重要因素  

  殺菌是否徹底的關鍵在于物料中的溫度分布是否存在未達到殺菌溫度的冷點.微波殺菌升溫的過程熱量傳遞的機理不同于傳統(tǒng)的熱力傳遞方式,因而物料在微波加熱過程中的溫度分布狀況也與傳統(tǒng)的熱力殺菌有所不同.食品成分的介電常數決定食品在微波場中的受熱特性.微波是一種電磁波,對物料具有穿透性,可以是物料內部和外部同時受熱升溫.升溫的效率主要由微波對物料的穿透深度決定, 而穿透深度又和食品本身的介電常數有關.由于食品往往由多種成分或不同配料組成,而組成食品的不同成分之間的介電常數相互關系十分復雜,不可以簡單的通過各種物質各自的介電常數推算出食品的介電常數.因此,在微波殺菌過程中,要通過工藝設計得到理想的殺菌效果,必須考慮食品中不同組分在微波場中的作用特性.由于食品的介電常數對于微波殺菌效果以及相應設備的設計有著重要影響,因此目前有不少研究集中于該領域.   

 食品的形狀也會對微波殺菌的效果造成影響.由于電場存在”棱角效應”,在食品的邊緣和尖角部位會形成較高的電場強度,使這些 部位的溫度會較其他部位高.在微波殺菌處理食品的過程中,需要考慮到食品的幾何形狀,以在保證殺菌效果的同時防止因局部過熱造成對食品品質的影響.為防止局部溫度過熱,可以利用覆蓋鋁箔等手段起到屏蔽作用,減少微波的過度吸收造成溫度的過高.微波設備的特性和設計決定其能否提供較均勻的微波場分布,影響食品在該微波場對微波的吸收,進而影響殺菌食品的溫度分布.   

 5、 微波殺菌技術在食品工業(yè)中的應用現(xiàn)狀及前景   

  經過近六十年的發(fā)展,微波技術的工業(yè)規(guī)模和商業(yè)應用有不少成功的例子,主要集中于冷凍肉類解凍回溫、面制品焙烤、干燥等方面.盡管研究表明微波殺菌與傳統(tǒng)的熱力殺菌相比有不少優(yōu)點,但微波殺菌技術在國內外工業(yè)化的成功應用還較為少見,美國目前僅有2～3項運用微波殺菌技術對產品進行巴氏殺菌處理的例子,還沒有高溫微波殺菌設備應用在生產之中.在歐洲,微波殺菌的商業(yè)化應用亦寥寥可數.我國雖早在1975年便由上海兒童食品廠應用隧道式微波爐于乳兒糕的生產,但是發(fā)展至今還沒有大范圍在食品工業(yè)生產中普及.目前,廣州果子食品廠已得到有關科技部門的支持和資助，應用國產微波殺菌設備，進行糖水荔枝罐頭微波殺菌的中試研究，并已取得預期效果。   

  造成微波殺菌技術在食品工業(yè)中難以廣泛應用的原因主要包括技術政策、經濟和商業(yè)三個方面的因素：a.技術政策因素。由于微波加熱所具有的獨特機理，其殺菌過程中需要一套可靠的評估程序評價殺菌效果，以保證產品的安全。但目前還缺乏一套行之有效的行業(yè)標準，其中重要的原因是缺乏微波在線測溫技術的配合，提供可靠的溫度-時間-微生物之間的科學依據。故美國FDA仍未允許微波殺菌作為一項高溫殺菌工序在美國的合法應用。b.經濟因素。微波設備必須能根據各類食品的特點進行設計，使其得到充分的處理，且整個處理過程必須符合殺菌的要求，所以用于殺菌的設備必須是專門設備。這就意味著食品生產商需要投入一筆資金對現(xiàn)有設備進行改造，而對于所獲得的收益是否能夠收回投資具有一定的風險。c.商業(yè)因素。從商業(yè)競爭角度，運用微波殺菌獲得成功的公司并不原因推廣這一生產過程，以使其產品在激烈的市場競爭中占有微波殺菌技術所帶來的獨有優(yōu)勢。變化進行測定仍存在一定的問題;利用液態(tài)晶體可以根據晶體在加熱過程中顏色的變化,間接對溫度的變化進行定性和定量的測定,但其對測定對象物料有嚴格的要求.時間-溫度指示物溫度技術能夠反映在熱處理過程中溫度隨時間變化的過程,其原理是利用化學標記物、微生物或者酶作為時間-溫度標記物,結合現(xiàn)代分析方法,建立標記物含量和微波加熱溫度的關系模型,進而獲得關于微波加熱過程中溫度變化的信息.使時間-溫度指示物測溫技術可以對密封在包裝容器內的食品進行微波加熱在線溫度測定,但是由于其對分析手段要求較高,目前僅適合于研究用途.   

 4.2 影響微波殺菌溫度的重要因素   

 殺菌是否徹底的關鍵在于物料中的溫度分布是否存在未達到殺菌溫度的冷點.微波殺菌升溫的過程熱量傳遞的機理不同于傳統(tǒng)的熱力傳遞方式,因而物料在微波加熱過程中的溫度分布狀況也與傳統(tǒng)的熱力殺菌有所不同.食品成分的介電常數決定食品在微波場中的受熱特性.微波是一種電磁波,對物料具有穿透性,可以是物料內部和外部同時受熱升溫.升溫的效率主要由微波對物料的穿透深度決定, 而穿透深度又和食品本身的介電常數有關.由于食品往往由多種成分或不同配料組成,而組成食品的不同成分之間的介電常數相互關系十分復雜,不可以簡單的通過各種物質各自的介電常數推算出食品的介電常數.因此,在微波殺菌過程中,要通過工藝設計得到理想的殺菌效果,必須考慮食品中不同組分在微波場中的作用特性.由于食品的介電常數對于微波殺菌效果以及相應設備的設計有著重要影響,因此目前有不少研究集中于該領域.    

食品的形狀也會對微波殺菌的效果造成影響.由于電場存在”棱角效應”,在食品的邊緣和尖角部位會形成較高的電場強度,使這些 部位的溫度會較其他部位高.在微波殺菌處理食品的過程中,需要考慮到食品的幾何形狀,以在保證殺菌效果的同時防止因局部過熱造成對食品品質的影響.為防止局部溫度過熱,可以利用覆蓋鋁箔等手段起到屏蔽作用,減少微波的過度吸收造成溫度的過高.微波設備的特性和設計決定其能否提供較均勻的微波場分布,影響食品在該微波場對微波的吸收,進而影響殺菌食品的溫度分布.   

5 微波殺菌技術在食品工業(yè)中的應用現(xiàn)狀及前景

   經過近六十年的發(fā)展,微波技術的工業(yè)規(guī)模和商業(yè)應用有不少成功的例子,主要集中于冷凍肉類解凍回溫、面制品焙烤、干燥等方面.盡管研究表明微波殺菌與傳統(tǒng)的熱力殺菌相比有不少優(yōu)點,但微波殺菌技術在國內外工業(yè)化的成功應用還較為少見,美國目前僅有2～3項運用微波殺菌技術對產品進行巴氏殺菌處理的例子,還沒有高溫微波殺菌設備應用在生產之中.在歐洲,微波殺菌的商業(yè)化應用亦寥寥可數.我國雖早在1975年便由上海兒童食品廠應用隧道式微波爐于乳兒糕的生產,但是發(fā)展至今還沒有大范圍在食品工業(yè)生產中普及.目前,廣州果子食品廠已得到有關科技部門的支持和資助，應用國產微波殺菌設備，進行糖水荔枝罐頭微波殺菌的中試研究，并已取得預期效果。    

 造成微波殺菌技術在食品工業(yè)中難以廣泛應用的原因主要包括技術政策、經濟和商業(yè)三個方面的因素：a.技術政策因素。由于微波加熱所具有的獨特機理，其殺菌過程中需要一套可靠的評估程序評價殺菌效果，以保證產品的安全。但目前還缺乏一套行之有效的行業(yè)標準，其中重要的原因是缺乏微波在線測溫技術的配合，提供可靠的溫度-時間-微生物之間的科學依據。故美國FDA仍未允許微波殺菌作為一項高溫殺菌工序在美國的合法應用。b.經濟因素。微波設備必須能根據各類食品的特點進行設計，使其得到充分的處理，且整個處理過程必須符合殺菌的要求，所以用于殺菌的設備必須是專門設備。這就意味著食品生產商需要投入一筆資金對現(xiàn)有設備進行改造，而對于所獲得的收益是否能夠收回投資具有一定的風險。c.商業(yè)因素。從商業(yè)競爭角度，運用微波殺菌獲得成功的公司并不原因推廣這一生產過程，以使其產品在激烈的市場競爭中占有微波殺菌技術所帶來的獨有優(yōu)勢。微波技術界的專家Robert F.Schiffman在1992年就微波技術在工業(yè)中應用的問題提出了微波工藝獲得成功的18條原則，其中關鍵的是產品的生產沒有其他的替代方法，明顯提高產品的質量和產量，降低成本和增加利潤。就這18條原則而言，微波技術在食品工業(yè)中規(guī)模和商業(yè)應用為成功的領域是微波對冷凍肉類進行解凍回溫，而微波殺菌技術目前的發(fā)展仍不能完全滿足上述標準。微波殺菌要在食品工業(yè)中獲得規(guī)模和商業(yè)成功應用，還有很多問題有待研究和解決，例如在低酸性罐頭加工中要采用高溫微波殺菌，還沒有很好的解決在線測溫以及包裝容器問題。而微波巴氏殺菌，對于一些常規(guī)加熱容易造成質量劣變的而且價值較高的地方特產食品（如荔枝），采用微波殺菌是具有成功希望的領域。另外，方便套餐食品，包括了米飯、肉類、蔬菜，以及其他不同的組分，通過屏蔽手段可以直接連包裝進行快速的殺菌處理，是目前微波殺菌技術應用較為廣泛的領域。荷蘭阿姆斯特丹Schiphol機場附近的一家生產供應飛機套餐的工廠就是采用微波設備對方便套餐進行巴氏殺菌處理的。而在微波加工設備方面，使用變頻微波加工設備和微波相控制加熱設備（micromave phase control heating），能夠提供更為均勻的加熱效果，具有在工業(yè)中應用的潛力。